Antiferromagnets (AFs) offer ultrafast dynamics, robustness against magnetic fields, and the absence of stray-field interactions, attributes that position them as promising building blocks for next-generation spintronic and neuromorphic technologies. Yet, the controlled electrical manipulation of antiferromagnetic order and its dynamics, along with their direct real-space visualization, remains largely unexplored. In this thesis, we employ synthetic antiferromagnets (SAFs) as model systems for real AFs, which preserve key antiferromagnetic properties while providing tunable interlayer coupling and accessible resonant frequencies for systematic studies.

The thesis presents three main experimental contributions. First, we demonstrate a spin-orbit torque (SOT)-driven nonvolatile memristor based on a paritytime (PT)-symmetric SAF with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). SOT controlled Néel-order domain wall (DW) motion enables reconfigurable, analog memory states, while nonlinear magnetotransport provides robust electrical readout, establishing compensated SAFs as promising synaptic elements for neuromorphic spintronics. The absence of long-range stray fields ensures stable, reproducible, and electric current pulse-driven control of domain configurations. These results underscore the potential of SAF as a versatile nonvolatile memory that mimics an artificial synapse, with applications in neuromorphic computing, where the reconfigurable synaptic weight is encoded in the ratio of reversed antiferromagnetic domains.

Second, in in-plane easy-plane SAFs, we use stroboscopic time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) microscopy to visualize, for the first time, antiferromagnetic domains in real space using polar magneto-optical Kerr effect (p-MOKE), which is otherwise inaccessible for this system in a p-MOKE geometry. The p-MOKE contrast is enabled by a staggered damping-like field arising from current-induced SOT acting oppositely on the two magnetizations of the SAF, resulting in out-of-plane oscillations of the magnetizations. By performing phaseresolved tr-MOKE measurements, we uncover that the Néel order in adjacent domains oscillates 180° out of phase, further corroborating our dynamic visualization of antiferromagnetic domains using polar tr-MOKE. In addition, DC currents enable reversible DW motion, which is directly observed dynamically. Finally, we demonstrate the existence of a strongly localized antiferromagnetic mode confined to the micron sized constriction, highlighting the spatial confinement of antiferromagnetic dynamics imposed by the device geometry.

Finally, we realize a chirality-controlled SOT-oscillator in an easy-plane SAF. Spin rectification measurements and simulations demonstrate current-driven selfsustained oscillations, whose handedness is determined by the DC current polarity and which can injection-lock to external microwave signals. The experiments further indicate the onset of multiple oscillation modes and chaotic dynamics near the spin-flop transition. To our knowledge, these results provide the first experimental indications consistent with SOT-driven self-oscillations in an AF. Together, these results establish SAF as a powerful platform for electrically controlled antiferromagnetic dynamics, spanning nonvolatile memory operation, gigahertz resonances, and self-oscillatory states. The demonstrated mechanisms and device concepts offer promising routes toward ultrafast, energy-efficient spintronic and neuromorphic hardware and pave the way for translating similar functionalities into crystalline AFs and altermagnets.

Antiferromagneten (AFs) zeichnen sich durch ihre ultraschnelle Dynamik, hohe Robustheit gegenüber Magnetfeldern und das Fehlen von Streufeldwechselwirkungen aus – Eigenschaften, die sie zu vielversprechenden Bausteinen für Spintronik- und neuromorphe Technologien der nächsten Generation machen. Dennoch sind die kontrollierte elektrische Manipulation der antiferromagnetischen Ordnung und Dynamik sowie deren direkte Visualisierung im realen Raum bislang weitgehend unerforscht. In dieser Arbeit verwenden wir synthetische Antiferromagneten synthetic antiferromagnets (SAFs) als Modellsysteme, die zentrale antiferromagnetische Eigenschaften bewahren und gleichzeitig eine einstellbare Interlagenkopplung sowie zugängliche Resonanzfrequenzen für systematische Untersuchungen bieten.

Die Arbeit umfasst drei wesentliche experimentelle Beiträge: Zu Beginn demonstrieren wir einen durch Spin-Bahn-Drehmoment (englisch spin-orbit torque (SOT)) angetriebenen nichtflüchtigen Memristor auf der Grundlage eines Paritäts- und Zeitumkehr (PT)- symmetrischen SAF mit senkrechter magnetischer
Anisotropie. Die durch SOT induzierte, kontrollierte und reversible Propagation von 180°-Néel Domänenwänden ermöglicht rekonfigurierbare, analoge Speicherzustände. Der nichtlineare Magnetotransport erlaubt ein direktes elektrisches Readout des Speicherzustands, das dem Verhältnis antiferromagnetischer Domänen mit entgegengesetztem Néel-Vektor entspricht. Damit erscheinen
kompensierte SAFs als geeignete Kandidaten für synaptische Bauelemente in der neuromorphen Spintronik. Das Fehlen weitreichender Streufelder ermöglicht eine stabile, reproduzierbare und durch elektrische Strompulse gesteuerte Kontrolle der Domänenkonfigurationen. Diese Ergebnisse unterstreichen
das Potenzial von SAFs als vielseitige nichtflüchtige Speicher, die künstliche Synapsen nachahmen und in der neuromorphen Datenverarbeitung An wendung finden, wobei das rekonfigurierbare synaptische Gewicht im Verhältnis der umgekehrten antiferromagnetischen Domänenstruktur kodiert ist.

zweiten Teil meiner Doktorarbeit charakterisieren wir kompensierte SAFs mit Easy-Plane-Magnetanisotropie unter SOT-Anregung mittels stroboskopischer, zeitaufgelöster magneto-optischer Kerr-Mikroskopie (tr-MOKE) und machen damit erstmals antiferromagnetische Domänen im Ortsraum mittels polarem MOKE sichtbar, was in dieser Geometrie sonst nicht möglich wäre. Der p-MOKEKontrast entsteht durch ein effektives, gestaffeltes antidämpfungsartiges Spin-Bahn-Feld, das Oszillationen der antiferromagnetischen Ordnung anregt, bei denen, abhängig von der lokalen Domänenkonfiguration, eine dynamische und rechtwinklig zur Probenebene gerichtete Netto-Magnetisierungskomponente
entsteht. Phasenaufgelöste MOKE-Messungen zeigen, dass die Néel-Ordnung in benachbarten Domänen um 180° phasenverschoben oszilliert und bestätigen so die dynamische Visualisierung antiferromagnetischer Domänen mittels polarer tr-MOKE. Darüber hinaus führen Gleichströme zu einer reversiblen Domänenwandbewegung, die direkt beobachtet werden kann. Schließlich identifizieren wir eine stark lokalisierte antiferromagnetische Mode, die nur innerhalb einer Nanoconstriction generiert wird.

Abschließend zeigen wir die Realisierung eines chiralen antiferromagnetischen SOT-Oszillators in einem Easy-Plane-SAF, dessen Chiralität durch die Polarität des den Oszillator antreibenden Gleichstroms bestimmt wird. Spin-Gleichrichtungsmessungen und Simulationen belegen Autooszillationen, die sich
bei zusätzlich angelegten monochromatischen Mikrowellensignalen in Form von Injection Locking an diese anpassen. Zudem beobachten wir das Auftreten mehrerer Schwingungsmodi sowie chaotische Dynamik nahe des Spin-Flop-Übergangs. Nach unserem Verständnis handelt es sich dabei um die erste experimentelle Beobachtung SOT-getriebener Autooszillationen in einem Antiferromagneten.

Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass synthetische Antiferromagneten als leistungsstarke Plattform für elektrisch gesteuerte antiferromagnetische Dynamiken, nichtflüchtige Speicheroperationen, Gigahertz-Resonanzen und selbstoszillierende Zustände dienen können. Die demonstrierten Mechanismen
und Gerätekonzepte bieten vielversprechende Wege zu ultraschneller, energieeffizienter spintronischer und neuromorpher Hardware und ebnen den Weg für die Übertragung ähnlicher Funktionen auf kristalline Antiferromagneten und Altermagnete.